JP6638077B2 - Head-up display device and video display device therefor - Google Patents
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Description
本発明は、ヘッドアップディスプレイ(Head Up Display:以下、「HUD」)装置の技術に関し、特に、車両のウインドシールド(フロントガラス)、または、その直前に設けられた透明または半透明な板状の表示部材であるコンバイナー上に映像を投影するHUD装置に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a technology of a head up display (hereinafter, referred to as “HUD”) device, and particularly to a windshield (windshield) of a vehicle or a transparent or translucent plate provided immediately before the windshield. The present invention relates to a technology that is effective when applied to a HUD device that projects an image on a combiner that is a display member.
自動車等の車両においては、通常、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤(インパネ)に表示される。また、カーナビゲーション等の画面は、ダッシュボードに組み込まれ、もしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転者がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やカーナビゲーションにかかる指示等の情報をウインドシールド(フロントガラス)またはコンバイナー等に投射して表示するHUD装置が知られている。 In a vehicle such as an automobile, information such as a vehicle speed and an engine speed is usually displayed on an instrument panel (instrument panel) in a dashboard. Further, a screen such as a car navigation system is incorporated in a dashboard or displayed on a display installed on the dashboard. When the driver visually recognizes such information, it is necessary to move his line of sight greatly.As a technology for reducing the amount of line of sight movement, information such as vehicle speed and information such as instructions related to car navigation are provided by windshield. 2. Description of the Related Art A HUD device for projecting and displaying an image on a windshield or a combiner is known.
なお、かかるHUDに関連する技術として、例えば、特開2015−194707号公報(特許文献1)には、映像を表示するデバイスと、表示デバイスに表示された映像を投射する投射光学系とを備え、観察者の視点領域全域で画面歪みを小さくすると共に小型化を実現する表示装置が記載されている。なお、この従来技術では、投射光学系は、表示デバイスから観察者の光路の順に、第1ミラーと第2ミラーを有する。そして、第1ミラーにおける映像長軸方向での入射角と、第1ミラーにおける映像短軸方向の入射角、および表示デバイスの映像表示面と第1ミラーとの間隔と、観察者によって視認される虚像の水平方向の幅との関係が、所定の関係性を満たすように構成することで、HUD装置の小型化を実現する旨が記載されている。 As a technique related to the HUD, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-194707 (Patent Document 1) includes a device that displays an image, and a projection optical system that projects the image displayed on the display device. In addition, a display device that reduces the screen distortion over the entire viewpoint area of the observer and realizes miniaturization is described. In this conventional technique, the projection optical system has a first mirror and a second mirror in the order from the display device to the optical path of the observer. The angle of incidence of the first mirror in the major axis direction of the image, the angle of incidence of the first mirror in the minor axis direction of the image, the distance between the image display surface of the display device and the first mirror, and are visually recognized by the observer. It is described that the size of the HUD device can be reduced by configuring the relationship with the horizontal width of the virtual image to satisfy a predetermined relationship.
従来のHUD装置では、一般的に、虚像を表示するための光線としては、反射などの特性を考慮に入れて、例えば、反射面に対してS偏光波などの直線偏光光が多く利用されている。 In a conventional HUD device, generally, as a light ray for displaying a virtual image, for example, linearly polarized light such as an S-polarized wave with respect to a reflection surface is often used in consideration of characteristics such as reflection. I have.
一方、車両の運転者は、しばしば、路面のまぶしい反射を選択的に低減するため、偏光作用を有するサングラスを用いることがある。しかしながら、偏光作用を有するサングラスを装着すると、このような直線偏光光により虚像を表示する従来のHUD装置では、後にも詳細に説明するが、HUD映像が見えなくなるという不具合があった。 On the other hand, a driver of a vehicle often uses sunglasses having a polarizing effect in order to selectively reduce glare on the road surface. However, in a conventional HUD device that displays a virtual image by using such linearly polarized light when sunglasses having a polarizing action are worn, there is a problem that the HUD image cannot be seen, as will be described later in detail.
そこで、本発明では、偏光作用を有するサングラスを装着してもHUD映像を見ることが可能であると共に、更には、上述した従来技術と比較して、モジュール化されて小型で光利用効率の高いHUD装置とそのための映像表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, according to the present invention, it is possible to view the HUD image even when wearing sunglasses having a polarizing action, and furthermore, as compared with the above-described conventional technology, it is modularized, small, and has high light use efficiency. An object of the present invention is to provide a HUD device and a video display device therefor.
上記の目的を達成するための一実施の態様として、本発明によれば、車両用のヘッドアップディスプレイ装置であって、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナー上に、映像を偏光光によって投射する映像表示装置と、前記映像表示装置から前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーに至る光路の一部に、前記映像表示装置から投射される前記映像の偏光光の偏光を変換する手段を設けたヘッドアップディスプレイ装置が提供される。 According to one embodiment of the present invention, there is provided a head-up display device for a vehicle, wherein an image is projected on the windshield or the combiner by polarized light. A head-up display device provided with means for converting the polarization of the polarized light of the image projected from the image display device on a part of the optical path from the image display device to the windshield or the combiner. You.
また、本発明によれば、車両用のヘッドアップディスプレイ装置のための映像表示装置であって、光源と、前記光源から出射された光を略平行光に変換するコリメート光学系と、前記コリメート光学系から出射した光を入射し、その光を入射方向とは別方向に出射する導光体を備えており、更に、前記光の偏光方向を一方向にそろえる偏光変換素子を具備した映像表示装置が提供される。 Further, according to the present invention, there is provided an image display device for a head-up display device for a vehicle, comprising: a light source; a collimating optical system configured to convert light emitted from the light source into substantially parallel light; An image display device, comprising: a light guide that receives light emitted from the system and emits the light in a direction different from the incident direction, and further includes a polarization conversion element that aligns the polarization direction of the light in one direction. Is provided.
上述した本発明によれば、上述した従来技術における課題を解消すると共に、低コストで製造可能であり、かつ、小型で高効率のモジュール化されたHUD装置とそのための映像表示装置が実現できる。 According to the present invention described above, it is possible to solve the above-described problems in the related art, and realize a small-sized, high-efficiency modularized HUD device which can be manufactured at low cost, and a video display device therefor.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<HUDの基本構成と本発明の原理>
図1(a)は、本発明に係るHUD装置の基本的な構成を示している。この図からも明らかなように、HUD装置100は、基本的に、プロジェクタやLCD(Liquid Crystal Display)等から構成された光源装置を含む映像表示装置300と、当該映像表示装置からの光(この場合、映像光)を、ミラー151(例えば、自由曲面ミラーや光軸非対称の形状を有するミラー等)やその他のミラー152により反射させて、車両102のウインドシールド103またはその直前に配置されたコンバイナー200上に投射する。一方、運転者105は、ウインドシールド103またはコンバイナー200上に投射された映像を見ることで、透明のウインドシールド103を通してその前方に虚像として上記映像を視認する。このとき、ミラー151は凹面ミラーに、その他のミラー152はコールドミラーに置き換えてもよい。なお、ここでは、説明の重複を避けるため、コンバイナー200上に映像光を投射する例について示す。<Basic configuration of HUD and principle of the present invention>
FIG. 1A shows a basic configuration of a HUD device according to the present invention. As is clear from this figure, the
図1(b)は、上記HUD装置100、特に、その映像表示装置300の内部構成の一例を示している。この図からも明らかなように、映像表示装置300がプロジェクタを構成している場合を示しており、映像表示装置300は、例えば、光源301、照明光学系302、および表示素子303などの各部を有する。なお、当該光源301として、以下に詳述する本発明の光源装置を採用することによれば、投射用の良好な照明光を生成することが可能となる。
FIG. 1B shows an example of the internal configuration of the
なお、この例では、光源301で生成した照明光を集光し、より均一化して表示素子303に照射する光学系である照明光学系302と、投射する映像を生成する素子である表示素子303とを、含んでいる。しかしながら、これらの構成要素は、以下に述べる実施例においては、既に、図4に示すように、合成拡散ブロック16、第1の拡散板18a、導光体17、第2の拡散板18bとして、更には、液晶表示パネル52として、本発明の光源装置(図3の光源装置ケース11を参照)内に含まれている。そのため、本発明の光源装置10(図3を参照)は、そのまま、HDU装置100の映像表示装置300とすることも可能である。このことによれば、特に、自動車内のダッシュボードのような狭い空間へ容易に取り付けることが可能なHUD装置100を実現することが可能となる。なお、上記の映像表示装置300から出射した光は、更に、表示距離調整機構400やミラー駆動部500を介して車両102のウインドシールド103またはコンバイナー200に投射されることは、当業者であれば明らかであろう。
In this example, the illumination
続いて、図2を参照しながら、本発明において、上述した課題、即ち、偏光作用を有するサングラス(以下、「偏光サングラス」とも言う)を運転者が装着すると、HUD装置100からの直線偏光により車両102のウインドシールド103またはコンバイナー200上に表示される虚像が見えなくなるという不具合を、解消する原理について説明する。なお、この図には、HUD装置100からの映像光を、ウインドシールド103に代えて、コンバイナー200上に表示する例を示すが、しかしながら、HUD装置100からの映像光をウインドシールド103上に投射する場合にも同様であることは、当業者にとっては当然であろう。
Subsequently, referring to FIG. 2, in the present invention, when the driver wears the above-described problem, that is, sunglasses having a polarizing action (hereinafter, also referred to as “polarized sunglasses”), the linearly polarized light from the
コンバイナー200は、例えば、ポリカーボネート板やガラス板のような透明な板状部材からなる基板210の表面(運転者側に対向する面であり、図では右側面)に高分子膜220を形成したものである。なお、この高分子膜220は、図に破線の楕円で示すように、高分子によって形成される複屈折楕円体が所定の方向に並んで配列された膜である。また、図中の符号230は、基板210の裏面に取り付けられたハーフミラーを、そして、符号240は、高分子膜220の表面、即ち、コンバイナー200の最表面側に形成された反射防止(AR)膜をそれぞれ示している。
The
このようなコンバイナー200に対して、図中の実線の矢印で示すように、HUD装置100からのS偏光の映像光が入射する場合の当該入射光に対する法線断面での高分子膜220の複屈折楕円体の主軸と偏光面との関係が、図の左下に示されている。即ち、高分子膜220は、その光学主軸である複屈折楕円体の主軸の向きが、コンバイナー200に入射する光の偏光面と一致するように取り付けられる構成となっている。
When S-polarized image light from the
このような構成によれば、コンバイナー200に入射した光は、高分子膜220の主軸に沿って、直線偏光のまま伝搬する。結果的には、ハーフミラー230面に対してS偏光の直線偏光で入射するため、ハーフミラーでは、HUDの画像を構成する光線を高反射率で反射することが可能となる。
According to such a configuration, light incident on the
その後、光線は、基板210裏面のハーフミラー230により反射され、再び、高分子膜220に入射する。一方、この高分子膜220は、コンバイナー200からの反射光に対しては、光の進行方向が変わることにより、反射光の法線断面での高分子膜220の主軸と偏光面の関係が、図の右下に示すように互いに角度が異なることとなる。このことから、ハーフミラー230で反射された直線偏光は、高分子膜220内を伝搬するに従い、高分子膜のリターデーションの影響を受け、楕円偏光となる。
After that, the light beam is reflected by the
即ち、HUD装置100からのS偏光の映像光は、コンバイナー200を構成する高分子膜220の働きにより、運転者の目に到達する際には楕円偏光となって入射する。一般的な偏光サングラスは、路面のぎらつきや、ウインドシールドの反射光を遮断するため、路面やウインドシールドに対してS偏光の偏光を遮断する特性を有する。そのため、従来の一般的なHUD光学系では、偏光サングラスを装着することにより、HUD映像を認識することができなくなるが、本発明では、ウインドシールドもしくはコンバイナーを反射するHUD映像の光は楕円偏光に変換されるので、偏光サングラスをかけた状態でもHUD映像を認識することが可能となる。
That is, the S-polarized image light from the
なお、上記の例では、S偏光の映像光を楕円偏光に変換するための一手段として、高分子によって形成される複屈折楕円体が所定の方向に並んで配列された高分子膜220について述べたが、本発明はこれに限定されることなく、その他の上記と同様な効果を有する手段を利用することも可能である。また、かかる偏光変換手段の位置は、上記の説明では、この高分子膜220は、コンバイナー200の基板210の表面(運転者側に対向する面)に形成したものとした。しかしながら、本発明はこれにのみ限定されることなく、ウインドシールドやコンバイナーでの反射率が多少低下するものの、かかる偏光変換手段は、映像表示装置300からの偏光の映像光が伝搬する光路、より具体的には、液晶表示パネル52の映像光出射面からコンバイナー200(または、ウインドシールド103)の内側表面に至る光路の一部に配置することも可能である。
In the above example, as one means for converting S-polarized image light into elliptically polarized light, a
なお、上記高分子膜の製造方法は、ポリカーボネート等の比較的光弾性の大きなフィルムを、耐熱性が高い、例えば金属板等ではさみ、t℃に加熱しながら、剪断応力を印加することにより作製される。前記t℃は、高分子膜の熱軟化点温度以上であることが好ましく、かつ溶融温度より低いことが望ましい。ここでは、高分子膜をポリカーボネートとし、加熱温度を127℃とした。なお、高分子膜の製造方法は、上記に限定されるものではなく、材料や特性に応じて適宜選択可能である。 The method for producing the polymer film is such that a relatively large photoelastic film such as polycarbonate is sandwiched between highly heat-resistant, for example, a metal plate or the like, and a shear stress is applied thereto while heating to t ° C. Is done. The above-mentioned t ° C. is preferably equal to or higher than the thermal softening point temperature of the polymer film, and is preferably lower than the melting temperature. Here, the polymer film was made of polycarbonate, and the heating temperature was 127 ° C. The method for producing the polymer film is not limited to the above, and can be appropriately selected depending on the material and the characteristics.
また、HUD装置においては、太陽光自体によるHUD装置へのダメージを配慮する必要がある。図2の太い破線の光線401に示すように、特定の方向(図2では、コンバイナー200の反射面に対してθの方向)に太陽があると、その光線は光線401pに示すように、HUD映像光の光路を逆行し、映像表示装置300に到達するため、映像表示装置がダメージを受ける可能性がある。
Further, in the HUD device, it is necessary to consider damage to the HUD device due to sunlight itself. When the sun is present in a specific direction (in FIG. 2, the direction of θ with respect to the reflection surface of the combiner 200) as shown by a thick
本発明では、上記ダメージを回避するために、上記のようにコンバイナーに対して入射角θで外部より入射する光に対しては、ハーフミラー230のS偏光の反射率を50%以上となるようにした。本構成を採用することにより、太陽光のコンバイナー面に対するS偏光の50%以上は、光線401sに示すように外部に反射され、残りが光線401pとなり、HUD映像光の光路を逆行する。光線401sのS偏光、P偏光成分は、HUD映像光と同様に、上記高分子膜の複屈折楕円体の主軸に対して、平行あるいは直交しているので、偏光状態は保存され伝搬する。その後、図1に示すミラー151で反射され、更にその他のミラー152で反射されたのち、映像表示装置300に入射する。ここで、その他のミラー152は、可視光に対しては反射率が高く、赤外光には反射率が低い、いわゆるコールドミラーの構成になっているが、更に可視光域のS偏光に対する反射率が90%以上と高く、かつ、P偏光に対する反射率が30%以下となる偏光特性を有する構成となっている。本構成により、光線401pのP偏光成分の大部分は、図に示したようにその他のミラー152を透過してしまい、映像表示装置300には到達しない。なお、前記のような偏光特性を持たせるためには、その他のミラー152に対して主光線の入射角ψは、30度以上とすることが望ましい。主光線の入射角度を30度より小さくなると、偏光方向による十分な反射率特性変化を発現するのが困難となる。本構成を採用することにより、コンバイナー面に対してP偏光成分の大部分がカットされ、残りのS偏光成分が主体となる。従って、映像表示装置300に到達する太陽光は、コンバイナー200に入射する可視光域の太陽光に対して、P偏光成分30%以下、S偏光成分50%以下、即ち平均で40%以下となる。更に赤外光は、前記その他のミラー152により、ほとんどの赤外光がカットされ、映像表示装置300が受ける太陽光のダメージを大幅に低減できる。
In the present invention, in order to avoid the above-described damage, the reflectance of the S-polarized light of the
一方、HUD映像光は、上記表示素子303よりコンバイナー200に対してS偏光で出射されるので、前記その他のミラー152では、90%以上の可視光線を反射し、前記その他のミラー152の映像光に対する影響は小さい。また、図示はしないが、前記その他のミラー152に前述したような偏光特性を持たせる代わりに、コンバイナー200と映像表示装置300間に、コンバイナー200に対してP偏光となる偏光を遮断する偏光フィルターを設置することにより、同様の効果を得ることができる。更に、ハーフミラー230は、誘電体多層膜を所定の層数積層することにより、上記特性を実現できる。なお、上記にはコンバイナーの場合についての太陽光によるHUD装置へのダメージからの保護対策について述べたが、コンバイナーに替え、ウインドシールドにより映像光を反射する場合には、当該ウインドシールドの外部表面に上記と同様の対策を実施すればよいことは、当業者であれば明らかであろう。
On the other hand, since the HUD image light is emitted as S-polarized light from the
<映像表示装置の詳細構造>
続いて、以下には、HUD装置100内においてS偏光の映像光を出射する映像表示装置300の構成について、特に、モジュール化に適しており、小型で光利用効率の高いHUD装置を実現するための構成について、以下に詳細に説明する。<Detailed structure of video display device>
Subsequently, the configuration of the
図3は、本発明の一実施の形態に係る映像表示装置300の概観を示す展開斜視図である。図からも明らかなように、映像表示装置(本体)300は、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部に、後にも詳述するLED、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納してなる光源装置ケース11から構成されている。その上面には、液晶表示素子50が取り付けられている。また、光源装置ケース11のひとつの側面には、半導体光源であるLED(Light Emitting Diode)素子やその制御回路を実装したLED基板12が取り付けられていると共に、当該LED基板12の外側面には、上記LED素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク13が取り付けられている。
FIG. 3 is a developed perspective view showing an overview of the
更に、光源装置ケース11の上面に取り付けられた液晶表示素子50は、液晶表示パネルフレーム51と、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル52と、更に、当該パネルに電気的に接続されたFPC(Flexible Printed Circuits:フレキシブル配線基板)53とから構成されている。即ち、液晶表示パネル52は、後にも詳細に説明するが、固体光源であるLED素子と共に、電子装置を構成する制御回路(ここでは図示せず)からの制御信号によって表示される映像が生成され、制御される。
Further, the liquid
以下、上記映像表示装置300の内部、即ち、光源装置ケース11内に収納されている光学系の構成について、添付の図4〜図13を参照しながら詳細に説明する。
Hereinafter, the configuration of the optical system housed in the
図4において、光源を構成する複数(本例では、2個)のLED14a、14b(ここでは、図示せず)が、LEDコリメータ15に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このLEDコリメータ15は、各々、例えば、ポリカーボネート等の透光性の樹脂により形成されている。そして、このLEDコリメータ15は、図5にも示すように、略放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面156を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部(即ち、凸レンズ面)157を形成した凹部153を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面(あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい)154を有している。なお、LEDコリメータ15の円錐形状の外周面を形成する放物面(外周面)156は、LED14aまたは14bから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
In FIG. 4, a plurality of (two in this example)
他方、LED14a、14bは、その回路基板である、いわゆる、LED基板12の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このLED基板12は、図5からも明らかなように、LEDコリメータ15に対して、その表面上のLED14aまたは14bが、それぞれ、その凹部153の中央部に位置するように配置されて固定される。
On the other hand, the
かかる構成によれば、上述したLEDコリメータ15によって、LED14aまたは14bから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方(図の右方向)に向かって放射される光は、図に矢印で示すように、LEDコリメータ15の外形を形成する2つの凸レンズ面157、154により集光されて平行光となり、また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、LEDコリメータ15の円錐形状の外周面を形成する放物面(外周面)156によって反射され、もって、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面(外周面)156を形成したLEDコリメータ15によれば、LED14aまたは14bにより発生した光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
According to such a configuration, of the light emitted from the
なお、当該LEDコリメータ15の光の出射側には、以下にも詳述する偏光変換素子21が設けられている。この偏光変換素子21は、図6にも示すように、断面が平行四辺形である柱状(以下、平行四辺形柱)の透光性部材と、断面が三角形である柱状(以下、三角形柱)の透光性部材とを組み合わせ、LEDコリメータ15からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に、複数、アレイ状に配列して構成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ(以下、「PBS」と省略する)膜211と反射膜212とが設けられており、また、偏光変換素子21へ入射してPBS膜211を透過した光が出射する出射面には、1/2λ位相板213が備えられている。
Note that a
この偏光変換素子21の出射面には、更に、図7にも示す矩形状の合成拡散ブロック16が設けられている。即ち、LED14aまたは14bから出射された光は、LEDコリメータ15の働きにより平行光となって合成拡散ブロック16へ入射し、出射側のテクスチャー161により拡散された後、以下に述べる導光体17に至る。
The output surface of the
ここで、上記図4に戻り、上記合成拡散ブロック16の出射面側には、第1の拡散板18aを介して、断面略三角形の角柱状の導光体17が設けられており、その上面には、第2の拡散板18bが取り付けられている。これにより、上記LEDコリメータ15の水平光は、当該導光体17の働きにより図の上方に反射されて、上記液晶表示素子50の入射面に導かれる。なお、その際、上記第1および第2の拡散板18a、18bによって、入射光の強度が均一化される。
Returning to FIG. 4, a
上記映像表示装置300を構成する導光体17の詳細について、以下に、図面を参照しながら説明する。なお、図8(a)は、当該導光体17の全体を示す斜視図を、図8(b)はその断面を、そして、図8(c)および(d)は、断面の詳細を示す一部拡大断面図である。
Details of the
導光体17は、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形(図8(b)参照)の棒状に形成された部材であり、そして、図4や図8(a)からも明らかなように、上記合成拡散ブロック16の出射面に第1の拡散板18aを介して対向する導光体光入射部(面)171と、斜面を形成する導光体光反射部(面)172と、第2の拡散板18bを介して上記液晶表示素子50の液晶表示パネル52と対向する導光体光出射部(面)173とを備えている。
The
この導光体17の導光体光反射部(面)172には、その一部拡大図である図8(c)および(d)に示すように、多数の反射面172aと連接面172bとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面172a(図では右上がりの線分)は、図において一点鎖線で示す水平面に対してαn(n:自然数であり、本例では、例えば、1〜130である)を形成しており、その一例として、ここでは、αnを43度以下(但し、0度以上)に設定している。
As shown in FIGS. 8 (c) and (d), which are partially enlarged views, the light guide light reflecting portion (surface) 172 of the
他方、連接面172b(図では右下がりの線分)は、反射面に対してβn(n:自然数であり、本例では、例えば、1〜130である)を形成している。即ち、反射部の連接面172bは、入射光に対して、後に述べる散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜されている。後にも詳述するが、α1、α2、α3、α4…は反射面仰角を形成し、β1、β2、β3、β4…は反射面と連接面との相対角度を形成しており、その一例として、90度以上(但し、180度以下)に設定されている。なお、本例では、β1=β2=β3=β4=…=β122=…β130である。
On the other hand, the connecting
図9および図10は、説明のために、導光体17に対して反射面172aと連接面172bの大きさを相対的に大きくした模式図を示す。導光体17の導光体光入射部(面)171では、主たる光線が、反射面172aに対して入射角が大きくなる方向にδだけ偏向されている(図10(b)参照)。即ち、導光体光入射部(面)171は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック16の出射面からの平行光は、第1の拡散板18aを介して拡散されて入射し、図からも明らかなように、導光体光入射部(面)171により上方にわずかに屈曲(偏向)しながら導光体光反射部(面)172に達する(図11の比較例を参照)。
9 and 10 are schematic diagrams in which the size of the
なお、この導光体光反射部(面)172には、多数の反射面172aと連接面172bとが交互に鋸歯状に形成されており、拡散光は、各々の反射面172a上で全反射されて上方に向かい、更には、導光体光出射部(面)173や図4に示すように第2の拡散板18bを介して、平行な拡散光として液晶表示素子50の液晶表示パネル52へ入射する。そのため、反射面仰角α1、α2、α3、α4…は、各々の反射面172aが前記拡散光に対して臨界角以上の角度となるように設定されており、他方、反射面172aと連接面172bとの相対角度β1、β2、β3、β4…は、上述したように一定の角度、その理由は後にも述べるが、より好ましくは、90度以上の角度(βn≧90度)に設定されている。
In this light guide light reflecting portion (surface) 172, a large number of reflecting
上述した構成により、各反射面172aが前記拡散光に対して常に臨界角以上の角度となるような構成になっているので、導光体光反射部(面)172に金属等の反射膜を形成しなくても、全反射が可能となり、低コストな光源装置を実現できる。一方、比較例となる図11に示したように、導光体17の導光体入射部で、主たる光線の屈曲(偏光)が無い場合は、拡散光の一部が反射面172aに対して、臨界角以下になってしまい、十分な反射率が確保できないので、特性の良い(明るい)光源装置が実現できない。
According to the above-described configuration, since each of the
また、反射面仰角α1、α2、α3、α4…は、導光体光反射部(面)172の下部から上部に移動するに従ってわずかずつ増加する値となっている。これは、液晶表示素子50の液晶表示パネル52を透過した光はある程度の発散角を有しているため、特に液晶表示パネル52の周辺部を透過した光の一部が、下流に配置されたミラーの周縁でけられる、いわゆる周辺減光の発生を防止する目的で、図9の光線30に示すように、周辺部の光線がやや中心軸方向に偏向させた構成を実現するためである。
Further, the reflection surface elevation angles α1, α2, α3, α4,... Are values that gradually increase as the light guide light reflection portion (surface) 172 moves from the lower portion to the upper portion. This is because light transmitted through the liquid
上記でも述べたように、β1=β2=β3=β4…βn≧90度としたが、これは、図12にも示すように、導光体17を射出成形で作製するための金型40の加工において、底面と側面の相対角度がβのエンドミル35によって、反射面172aと連接面172bとが、同時に、加工できるためである。また、反射面172aと連接面172bに対し、相対的に太い工具で加工が可能であることから、加工時間が大幅に短縮でき加工費の大幅な低減が可能となる。また、反射面172aと連接面172bとの境界エッジが精度良く加工でき、導光体17の導光特性の向上を図ることができる。
As described above, β1 = β2 = β3 = β4... Βn ≧ 90 degrees. This is because, as shown in FIG. 12, the
また、図9中のLr1、Lr2、Lr3、Lr4…は反射面172aの水平面に対する投影長さを、そして、Lc1、Lc2、Lc3、Lc4…は、連接面172bの水平面に対する投影長さをそれぞれ表しており、Lr/Lc、即ち反射面172aと連接面172bとの比率は、場所により変更可能な構成とした。導光体17に入射する主たる光線30の強度分布は、必ずしも液晶表示パネル52の入射面で望まれる強度分布と一致しない。そこで、反射面172aと連接面172bとの比率Lr/Lcにより、強度分布を調整する構成を採用した。なお、この比率を高めるほど、その部分の反射光の平均的な強度を高めることができる。一般的に、導光体に入射する光線30は、中央部が強くなりがちなので、それを補正するのに、前記比率Lr/Lcは、場所により異なる構成とし、特に、中央部が小さくなるようにした。前記比率Lr/Lcが場所により異なる構成および前述した反射面仰角α1、α2、α3、α4…が場所により異なる構成であるため、導光体光反射部(面)172の概形状を表す包絡線172cは、図9に示すように曲線形状を示す。
In FIG. 9, Lr1, Lr2, Lr3, Lr4... Represent the projection length of the
更に、Lr1+Lc1=Lr2+Lc2= Lr3+Lc3= Lr4+Lc4…=Lr+Lc≦0.6mmとした。かかる構成を採用することによれば、導光体17の導光体光出射部(面)173から見た反射面の繰り返しピッチを同一とすることができる。また、そのピッチは、0.6mm以下であることから、拡散板18a,18bの作用・効果と相まって、液晶表示パネル52越しで見た場合、個々の出射面が分離せず、連続面として見えることから、液晶表示パネル52越しの空間輝度の均一化が図れ、もって、表示特性が向上する。即ち、本構成により、液晶表示パネル52上での入射光強度分布を均一化することが可能となる。他方、Lr+Lcの値が0.2mmより小さいと、加工時間がかかるばかりではなく、各反射面172aを精度良く加工するのが困難となるので0.2mm以上が望ましい。
Further, Lr1 + Lc1 = Lr2 + Lc2 = Lr3 + Lc3 = Lr4 + Lc4... = Lr + Lc ≦ 0.6 mm. According to such a configuration, the repetition pitch of the reflection surface as viewed from the light guide light emitting portion (surface) 173 of the
上述した導光体17の導光体光反射部(面)172の形状によれば、主たる光の全反射条件を満たすことができ、上記導光体光反射部(面)172にアルミ等の反射膜を設ける必要がなく、光を効率的に反射することが可能となり、製造コストの上昇を伴うアルミニウム薄膜の蒸着作業なども必要なく、より低コストで、明るい光源が実現できる。また、各相対角βを、連接面172bが主たる光線30が合成拡散ブロック16および拡散板18aで拡散した光に対して影になるような角度に設定した。これにより、連接面172bへの不要な光の入射を抑制することで、不要な光の反射を低減でき、特性が良好な光源装置を実現することが可能となる。
According to the shape of the light guide light reflecting portion (surface) 172 of the
また、上述した導光体17によれば、特に、反射面仰角α1、α2、α3、α4…を適宜設定することにより、光軸方向における導光体光出射部(面)173の長さを自由に変更することができることから、導光体光入射部(面)171に対して、導光体光出射部(面)173の大きさ(面サイズ)を、上記液晶表示パネル52などの装置に対して適合した、適宜、必要な大きさ(面サイズ)に変更可能な光源装置を実現することが可能となる。このことは、また、光源を構成するLED14a、14bの配置形状に依存することなく、導光体光出射部(面)173を所望の大きさにすることが可能となることにより、所望の大きさの面状の発光源が得られることとなる。更には、光源を構成するLED14a、14bの配置を含む設計における自由度の確保にもつながり、装置全体の小型化にも有利であろう。
According to the
加えて、上述した導光体17によれば、図13にも示すように、導光体光反射部(面)172を構成する連接面172bを適宜設定する(この例では、その中央部の一部の反射面172aでは光が反射しないようにする)ことによれば、導光体17の導光体光出射部(面)173において、反射面172aと連接面172bの比率Lr/Lcを場所によって変更することも可能となる。なお、図示の例では、導光体17の導光体光出射部(面)173における光表示が、光軸の方向において、左右に分けられている様子を示す。この場合、特に、HUD装置において、虚像画面を上下や左右に分離して表示する場合等において好適であろう。
In addition, according to the above-described
ここで、液晶表示パネル52に入射する主たる光線の傾きは、一般的には、垂直に近い方が望ましいが、しかしながら、液晶表示パネルの特性によっては、図10(b)に示したように、角度ηだけ傾けることも可能である。即ち、市販されている液晶表示パネルの中には、入射角を5〜15度程度傾けた方が特性が良いものがあるが、その場合には、上記ηをその特性に応じて5〜15度とすることが望ましい。
Here, it is generally desirable that the inclination of the main light beam incident on the liquid
また、液晶表示素子50をη傾ける代わりに、反射面172aの角度を調整することにより、液晶表示パネル52への主たる光線の傾きを傾けることも可能である。更に、前記光線の傾きを導光体の側面方向に傾ける必要がある場合には、合成拡散ブロック16の出射面に形成された三角形状のテクスチャー161の斜面傾きを左右非対称にするか、反射面172a、172bで構成されるテクスチャーの形成方向を変更することにより、実現可能であろう。
Instead of tilting the liquid
以上にも詳述したように、本発明に係る映像表示装置300によれば、光源からの光の光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化された光源装置として、小型かつ低コストで製造することが可能となる。
As described in detail above, according to the
即ち、上述した映像表示装置300によれば、液晶表示素子50を構成する液晶表示パネル52に入射する光を、上記の偏光変換素子21によってS偏光波にすることから、当該光の液晶表示パネル52での透過率を向上することが可能となる。このことから、より少ない発光源(LED)によって、より小型かつ高効率のモジュール化された光源装置を、より安価に実現することが可能となる。なお、上記では、偏光変換素子21をLEDコリメータ15の後に取り付けるものとして説明したが、しかしながら、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示素子に到る光路中に設けることによっても同様の作用・効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。
That is, according to the above-described
<その他の実施例>
図14にも示すように、合成拡散ブロック16後方に配置される導光体17を、通常の透光性の樹脂に代えて、偏光変換素子により構成する(導光体17’)ことも可能である。なお、この構成では、図からも明らかなように、三角形柱の透光性部材211’と平行四辺形柱の透光性部材212’とを組み合わせ、それらの境界面には、LED14aまたは14bから出射してLEDコリメータ15で平行光となった入射光のS偏光波(図中の記号(×)を参照)を反射するが、他方、P偏光波(図中の上下の矢印を参照)は透過するPBS膜211が形成されると共に、行四辺形柱の透光性部材212’の上面には、1/2λ位相板213が、そして、その側面には、反射膜212がそれぞれ形成されている。<Other Examples>
As shown in FIG. 14, the
上述した構成によれば、図からも明らかなように、LED14aまたは14bから出射してLEDコリメータ15で平行光となった入射光は、導光体17に代わる偏光変換素子からなる導光体17’により、S偏光波に偏光されて当該素子の上面から上方に向かって出射されることとなる。即ち、上記した構成では、特に、通常の透光性の樹脂からなる導光体17を取り除くことにより、装置の大幅な小型化や装置の製造コストの低減を実現することが可能となる。
According to the configuration described above, as is apparent from the figure, the incident light emitted from the
以上、本発明の実施例に係るモジュール化に適し、小型で光利用効率の高いHUD装置を実現するための映像表示装置の構成について種々述べた。しかしながら、かかる映像表示装置からのウインドシールドまたはコンバイナーに対してS偏光の映像光が、ウインドシールドまたはコンバイナーを構成する高分子膜220の働きにより、運転者の目に到達する映像光が楕円偏光に変換されることにより、偏光サングラスをかけた状態でもHUD映像を認識することが可能となることは上記と同様である。
The configuration of the video display device for realizing a small-sized HUD device with high light use efficiency suitable for modularization according to the embodiments of the present invention has been described above. However, the S-polarized image light from the image display device to the windshield or the combiner converts the image light reaching the driver's eyes into elliptically polarized light by the action of the
以上、種々の実施例について詳述したが、しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために装置全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 As described above, various embodiments have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, in the above-described embodiment, the entire apparatus is described in detail in order to easily explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to the apparatus having all the configurations described above. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment. Further, for a part of the configuration of each embodiment, it is possible to add, delete, or replace another configuration.
100…HUD装置、300…映像表示装置、102…車両、103…ウインドシールド、200…コンバイナー、210…基板、220…高分子膜、230…ハーフミラー、50…液晶表示素子、10…光源装置、11…光源装置ケース、12…LED基板、13…ヒートシンク、50…液晶表示素子、51…液晶表示パネルフレーム、52…液晶表示パネル、53…FPC(フレキシブル配線基板)、14a、14b、…LED、15…LEDコリメータ、17…導光体、18a、b…拡散板、172a…反射面、172b…連接面、16…合成拡散ブロック、161…テクスチャー、21…偏光変換素子、211…PBS膜、212…反射膜、151…ミラー、152…その他のミラー。
100 HUD device, 300 image display device, 102 vehicle, 103 windshield, 200 combiner, 210 substrate, 220 polymer film, 230 half mirror, 50 liquid crystal display device, 10
Claims (8)
ウインドシールドまたはコンバイナー上に、映像を偏光光によって投射する映像表示装置と、
前記ウインドシールドまたは前記コンバイナー上に、ハーフミラー面が形成されており、上記ハーフミラーは、太陽光がヘッドアップディスプレイ装置の映像光の光路を逆行する角度に入射した時に、S偏光の反射率を50%以上とした、ヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device for a vehicle,
On a windshield or a combiner, an image display device that projects an image with polarized light,
A half mirror surface is formed on the windshield or the combiner. The half mirror reduces the reflectance of S-polarized light when sunlight enters the optical path of the image light of the head-up display device at a reverse angle. A head-up display device having 50% or more.
前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーと前記映像表示装置間には、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーに対してP偏光の成分を選択的に低減する光学素子が具備されている、ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 1 ,
A head-up display device, comprising an optical element between the windshield or the combiner and the video display device for selectively reducing a component of P-polarized light with respect to the windshield or the combiner.
前記光学素子は、S偏光の反射率が90%以上かつP偏光の反射率が30%以下のミラーである、ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 2 ,
The head-up display device, wherein the optical element is a mirror having a reflectance of 90% or more for S-polarized light and a reflectance of 30% or less for P-polarized light.
前記光学素子は、コールドミラーを兼ねている、ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 3 ,
The head-up display device, wherein the optical element doubles as a cold mirror.
前記光学素子を構成するミラーに対して、前記映像表示装置より出射する主光線の入射角度ψは、30度以上である、ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 4 ,
A head-up display device, wherein an incident angle の of a principal ray emitted from the video display device with respect to a mirror constituting the optical element is 30 degrees or more.
前記光学素子は、偏光フィルターである、ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 2 ,
The head-up display device, wherein the optical element is a polarizing filter.
ウインドシールドまたはコンバイナー上に、映像を偏光光によって投射する映像表示装置と、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーと前記映像表示装置間には、S偏光の反射率が90%以上かつP偏光の反射率が30%以下のミラーが配置され、かつそのミラーはコールドミラーを兼ねている、ヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device for a vehicle,
An image display device that projects an image on a windshield or a combiner with polarized light, and a reflectance of S-polarized light of 90% or more and a reflectance of P-polarized light between the windshield or the combiner and the image display device. A head-up display device in which 30% or less of mirrors are arranged, and the mirrors also serve as cold mirrors.
光学素子を構成するミラーに対して、前記映像表示装置より出射する主光線の角度ψは、30度以上である、ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 7 ,
A head-up display device, wherein an angle の of a principal ray emitted from the video display device with respect to a mirror constituting an optical element is 30 degrees or more.
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